大跨度橋梁頂推施工監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

楊 洋

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300450)

1 工程概況

天津市外環(huán)線東北部調(diào)線工程北環(huán)鐵路分離式立交位于現(xiàn)狀外環(huán)線與華糧道交叉口以北約3.5 km處，橋梁全長(zhǎng)746 m，采用左右分幅設(shè)計(jì)，單幅橋全寬20.75 m。橋梁11#-12#墩自北向南依次共跨越5股道鐵路及一條既有道路(見(jiàn)圖1)。

圖1 分離式立交跨越鐵路頂推(單位：cm)

為減小橋梁施工對(duì)橋下各交通線路運(yùn)營(yíng)的影響，選擇雙幅同步頂推施工的方式跨越鐵路及現(xiàn)狀道路。跨路段連續(xù)梁總長(zhǎng)為110 m，梁高2.9 m，連續(xù)梁頂推段長(zhǎng)度共62 m，頂推距離為52 m，單幅頂推重量為3 618 t，設(shè)置導(dǎo)梁長(zhǎng)度為21.72 m。頂推運(yùn)行軌跡位于半徑為4 500 m豎曲線上坡段，坡度為+1.42%，頂推方式為點(diǎn)式滑道，單點(diǎn)頂推[1]。

2 頂推施工監(jiān)測(cè)方案

由于采用頂推施工工法，需要經(jīng)歷一系列的頂推過(guò)程橋梁結(jié)構(gòu)才能最終形成，而在每一個(gè)施工過(guò)程中頂推梁段結(jié)構(gòu)受力變化復(fù)雜[2]。施工中的每一階段，均可能會(huì)由于施工過(guò)程的變化引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移偏離設(shè)計(jì)值[3]。因此，必須在施工中針對(duì)橋梁施工的特點(diǎn)制定完善的監(jiān)測(cè)方案,使得頂推結(jié)構(gòu)在施工中處于最佳安全狀態(tài)。

2.1 施工過(guò)程數(shù)值計(jì)算

北環(huán)鐵路分離式立交頂推梁段運(yùn)用梁格法進(jìn)行建模，計(jì)算模型共劃分為1 226個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 068個(gè)單元(見(jiàn)圖2)。通過(guò)對(duì)頂推過(guò)程進(jìn)行模擬，計(jì)算出了變形及應(yīng)力監(jiān)測(cè)的理論數(shù)值，以此作為梁體頂推施工過(guò)程中每個(gè)階段結(jié)構(gòu)行為的控制值，并預(yù)測(cè)下一個(gè)施工階段的參數(shù)[4]。

圖2 頂推梁段模型

2.1.1 變形

在變形數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，選取了導(dǎo)梁梁端(截面1)、鋼導(dǎo)梁與混凝土梁結(jié)合部位(截面2)、主跨臨時(shí)墩墩頂對(duì)應(yīng)位置處、跨中位置處以及主梁末端(截面6)分別計(jì)算取值，并對(duì)截面順序編號(hào)為1-6，部分計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 頂推過(guò)程變形理論計(jì)算值 mm

計(jì)算結(jié)果顯示：截面1、2、6在整個(gè)頂推施工過(guò)程中變形的理論數(shù)值最大。

2.1.2 應(yīng)力

應(yīng)力控制數(shù)值計(jì)算斷面選擇了頂推階段主梁懸臂最大處、主跨各永久墩處以及中跨的臨時(shí)墩處，截面順序編號(hào)為A-E。

計(jì)算結(jié)果顯示：各斷面處梁體均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)受力良好。計(jì)算的應(yīng)力值在施工的不同階段出現(xiàn)變化，各斷面應(yīng)力最大值為-8.3 MPa，各斷面位置均為受力關(guān)鍵截面，施工過(guò)程中需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

2.2 導(dǎo)梁預(yù)頂過(guò)程監(jiān)測(cè)

導(dǎo)梁與混凝土梁結(jié)合處作為頂推梁段施工中的關(guān)鍵部位，必須對(duì)該部位的連接強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)。本工程在正式頂推施工前提出了導(dǎo)梁預(yù)頂方案，模擬頂推施工最大懸臂受力狀態(tài)，提前對(duì)導(dǎo)梁與混凝土梁結(jié)合部位的強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)控和檢驗(yàn)。

為模擬頂推過(guò)程中的墩頂反力，預(yù)頂方案采用千斤頂對(duì)導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)施加頂力。通過(guò)計(jì)算，在距導(dǎo)梁與混凝土梁結(jié)合處6 m的位置施加頂力可以模擬出頂推施工最大懸臂受力狀態(tài)。測(cè)試過(guò)程中按計(jì)算頂力最大值306.6 t的50%、70%、100%三次分級(jí)加載頂力，預(yù)頂期間對(duì)導(dǎo)梁和混凝土梁關(guān)鍵截面的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2.3 梁體頂推施工過(guò)程監(jiān)測(cè)

2.3.1 梁體及導(dǎo)梁變形監(jiān)測(cè)

由于頂推施工的特點(diǎn)，整個(gè)施工過(guò)程中梁體及導(dǎo)梁會(huì)不可避免的產(chǎn)生變形。為保證頂推順利完成，且完成后的梁體線形保持在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，需要在施工過(guò)程中對(duì)梁體及導(dǎo)梁變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)梁體進(jìn)行糾偏[5]。

變形測(cè)點(diǎn)選擇與模擬施工計(jì)算時(shí)選取的1-6截面相對(duì)應(yīng)，梁體變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)(L1-L6)布置見(jiàn)圖3。

圖3 梁體變形測(cè)點(diǎn)布置

2.3.2 臨時(shí)墩柱空間變位及應(yīng)力監(jiān)測(cè)

頂推過(guò)程中臨時(shí)墩柱會(huì)受到梁體豎向壓力及梁底與墩頂摩擦產(chǎn)生的水平推力的共同作用[6],在頂推施工過(guò)程中需要對(duì)臨時(shí)墩柱的應(yīng)力以及空間變位情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[7]。

本次頂推施工選擇在1#臨時(shí)墩墩頂位置處布置測(cè)點(diǎn)，在臨時(shí)墩下部布置外貼式應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)臨時(shí)墩應(yīng)力變化情況。

2.3.3 關(guān)鍵截面應(yīng)力監(jiān)測(cè)

(1)在頂推過(guò)程中，導(dǎo)梁關(guān)鍵截面也就是最不利位置為鋼導(dǎo)梁根部及鋼導(dǎo)梁與混凝土梁結(jié)合部位，應(yīng)對(duì)該部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)[8]。

(2)對(duì)梁體關(guān)鍵截面的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有助于及時(shí)掌握頂推施工過(guò)程中梁體結(jié)構(gòu)的受力情況，避免施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力過(guò)大，偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)。

梁體應(yīng)力監(jiān)測(cè)關(guān)鍵截面(截面編號(hào)A-E)布置見(jiàn)圖3。梁體截面測(cè)試采用埋入式布置應(yīng)力計(jì)，墩頂截面采用外貼式布置應(yīng)力計(jì)。

2.4 監(jiān)測(cè)方法

2.4.1 梁體、導(dǎo)梁變形及墩柱空間變位

梁體、導(dǎo)梁豎向變形監(jiān)測(cè)采用測(cè)微器配合水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，頂推前先采集高程基準(zhǔn)點(diǎn)，在頂推施工各階段人工對(duì)各截面豎向變形量進(jìn)行測(cè)讀，了解導(dǎo)梁及梁體的變形情況[9]。

采用全站儀對(duì)梁體及墩柱空間變位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在施工前先測(cè)量出墩柱中心線、梁段的中線并做好標(biāo)記。頂推過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)梁端的軸線偏位及墩柱軸線偏位進(jìn)行觀測(cè)記錄，將采集的數(shù)據(jù)以橋梁軸線方向建立局部坐標(biāo)系，掌握梁體及墩柱的空間變位情況[10]。

2.4.2 梁體、導(dǎo)梁關(guān)鍵截面應(yīng)力

由于應(yīng)力監(jiān)測(cè)需要與梁體施工同步進(jìn)行，因此測(cè)試元件需要具備抗損傷性能好、存活率高、安裝定位容易、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、不干擾正常施工等性能。本工程依據(jù)以上要求選擇了鋼弦應(yīng)力計(jì)及可以自動(dòng)采集記錄數(shù)據(jù)的振弦檢測(cè)儀進(jìn)行應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 導(dǎo)梁預(yù)頂

經(jīng)過(guò)對(duì)導(dǎo)梁預(yù)頂過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，梁體底部橫橋向產(chǎn)生了最大值為1.1 MPa的壓應(yīng)力變化；縱橋向產(chǎn)生了最大值為1.4 MPa的拉應(yīng)力變化，只達(dá)到理論數(shù)值的70%，縱橋向拉應(yīng)力變化量符合要求；導(dǎo)梁底部產(chǎn)生了最大值為23 MPa的拉應(yīng)力變化，只達(dá)到理論數(shù)值的40%，導(dǎo)梁底部拉應(yīng)力變化量符合要求[11]。

3.2 試頂推階段

3.2.1 變形及空間變位情況

左幅橋梁體在頂推距離達(dá)1.228 m時(shí)，梁體前端出現(xiàn)5 mm的中線偏位最大值。在頂推距離達(dá)1.521 m時(shí)，梁體后端出現(xiàn)4 mm的中線偏位最大值。

右幅橋梁體在頂推距離達(dá)2.254 m時(shí)，梁體前端出現(xiàn)8 mm的中線偏位最大值。在頂推距離達(dá)2.254 m時(shí)，梁體后端出現(xiàn)10 mm的中線偏位最大值。

整個(gè)試頂推過(guò)程中導(dǎo)梁前端無(wú)下?lián)犀F(xiàn)象，1#臨時(shí)墩墩頂無(wú)水平位移，梁體中線偏位滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 應(yīng)力情況

試頂推期間1#臨時(shí)墩應(yīng)力最大變化值為5.88 MPa，反力座底部應(yīng)力最大變化值為17 MPa；梁體應(yīng)力最大變化值為2.03 MPa，構(gòu)件結(jié)構(gòu)受力狀況良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 頂推階段

3.3.1 臨時(shí)墩空間變位

正式頂推期間左幅橋1#臨時(shí)墩墩頂分別出現(xiàn)了最大值為8 mm的縱橋向位移以及最大值為2 mm的橫橋向位移。右幅橋1#臨時(shí)墩墩頂分別出現(xiàn)了最大值為5 mm的縱橋向位移以及最大值為2 mm的橫橋向位移。結(jié)果顯示，1#臨時(shí)墩的墩頂橫橋向位移及縱橋向位移在整個(gè)頂推期間均小于理論計(jì)算值，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.2 臨時(shí)墩應(yīng)力

正式頂推期間左右幅橋1#臨時(shí)墩墩底出現(xiàn)最大應(yīng)力值分別為71.82 MPa和41.79 MPa(見(jiàn)圖4)。

圖4 頂推階段1#臨時(shí)墩應(yīng)力變化

結(jié)果顯示，1#臨時(shí)墩墩底應(yīng)力變化在整個(gè)頂推期間均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

3.3.3 結(jié)構(gòu)變形

通過(guò)對(duì)頂推階段進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，選取了導(dǎo)梁最大懸臂狀態(tài)下位移最大的L1測(cè)點(diǎn)、頂推體系受力的關(guān)鍵點(diǎn)——鋼導(dǎo)梁與混凝土梁結(jié)合部位L2測(cè)點(diǎn)為典型控制測(cè)點(diǎn)。由圖5可知，導(dǎo)梁及頂推梁段實(shí)測(cè)變形曲線與理論變形曲線相近。

圖5 頂推過(guò)程控制測(cè)點(diǎn)變形曲線對(duì)比

3.3.4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖6所示為頂推過(guò)程中典型永久墩位置截面B、梁跨中典型臨時(shí)墩位置截面D測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的壓應(yīng)力最小值為1.3 MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，在整個(gè)頂推期間受力狀況良好，各截面實(shí)測(cè)應(yīng)力值趨勢(shì)與理論應(yīng)力值相符。

圖6 梁體關(guān)鍵截面測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線對(duì)比

北環(huán)鐵路分離式立交橋在頂推過(guò)程中，導(dǎo)梁與混凝土梁結(jié)合處未見(jiàn)異常，1#臨時(shí)墩位移量符合設(shè)計(jì)要求，梁體線形及應(yīng)力在合理范圍內(nèi)，頂推就位精度滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)頂推施工，分離式立交橋共歷時(shí)4 h，安全順利完成整個(gè)頂推施工。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)試頂推校驗(yàn)了頂推系統(tǒng)工作狀態(tài)良好，各部位受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)要求吻合。

(2)頂推過(guò)程中各截面實(shí)測(cè)應(yīng)力值趨勢(shì)與理論應(yīng)力值相符，未出現(xiàn)拉應(yīng)力，主梁及導(dǎo)梁實(shí)測(cè)變形值符合設(shè)計(jì)要求。臨時(shí)墩柱變形和應(yīng)力數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)要求。